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  <title>OS Chapter 6 File System ~ Codeless</title>

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      February 3, 2020 pm
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            <article class="markdown-body">
              <p>Essential Requirements：</p>
<ul>
<li>必须可以存放大量信息</li>
<li>信息可以持久存储，到进程结束</li>
<li>可以支持文件并发访问</li>
</ul>
<p>Long-Term Information Storage</p>
<ul>
<li>块状存储<ul>
<li>磁盘</li>
<li>磁带</li>
<li>光盘</li>
<li>闪盘</li>
</ul>
</li>
<li>块级别操作<ul>
<li>读第i块</li>
<li>写第i块</li>
</ul>
</li>
</ul>
<h2 id="File-Concept"><a href="#File-Concept" class="headerlink" title="File Concept"></a>File Concept</h2><h3 id="文件的属性"><a href="#文件的属性" class="headerlink" title="文件的属性"></a>文件的属性</h3><p>文件：一组有意义的信息的集合<br>大小<br>文件名<br>逻辑结构（内容）：字节序列、记录序列、树<br>文件类型：二进制文件、ASCII文件。可执行文件、存档文件。<br>文件访问权限（保护信息）、文件<br>文件属性：如创建的时间和日期、文件大小等附加信息。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717852490-333a0997-733a-4f11-8d28-0919bf3bf36f.png#height=570&amp;width=616" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>文件操作：Create、Delete、open、close、read、write、Append、Seek、Get Attributes、Set Attributes、Rename<br>文件物理结构：存放在块中</p>
<h2 id="Directory-Concept"><a href="#Directory-Concept" class="headerlink" title="Directory Concept"></a>Directory Concept</h2><h3 id="Directory"><a href="#Directory" class="headerlink" title="Directory"></a>Directory</h3><p>文件夹，包含文件</p>
<h3 id="一级目录系统"><a href="#一级目录系统" class="headerlink" title="一级目录系统"></a>一级目录系统</h3><p><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717852665-b864193d-00c0-471c-8a88-420ec597a080.png#height=188&amp;width=358" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<h3 id="层次目录存储"><a href="#层次目录存储" class="headerlink" title="层次目录存储"></a>层次目录存储</h3><p><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717852839-cdc62a79-1a1d-4449-a639-4c2c11dc7405.png#height=252&amp;width=364" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>文件多的情况下，就需要层次结构（目录树），通过这种方式，可以把文件以自然的方式分组。<br>树形目录结构不便于实现<strong>文件的共享</strong>，所以提出了<strong>无环图目录结构</strong>，可以用不同的文件名指向同一个文件，使得整个目录是一个有向无环图。</p>
<h3 id="路径名"><a href="#路径名" class="headerlink" title="路径名"></a>路径名</h3><p>绝对路径名（absolute path name）<br>相对路径名（relative path name）：与工作目录一同使用，可以不用绝对路径，而使用相对路径。（<strong>使用相对路径检索文件可以减少磁盘I/O操作</strong>）<br>工作目录（working directory）<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717853097-d878a303-d147-4f1c-9f15-8b9eade17b4e.png#height=592&amp;width=540" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<h3 id="目录操作"><a href="#目录操作" class="headerlink" title="目录操作"></a>目录操作</h3><p>create、delete、opendir、closedir、readdir、rename<br>link（多个目录中出现同一个文件，增加了该文件i-node的计数器，有时称为硬链接。Hard link、symbolic link）<br>unlink（删除目录项）</p>
<h3 id="目录实现"><a href="#目录实现" class="headerlink" title="目录实现"></a>目录实现</h3><h2 id="File-Share-amp-Protection"><a href="#File-Share-amp-Protection" class="headerlink" title="File Share &amp; Protection"></a>File Share &amp; Protection</h2><h2 id="File-System-Implementation"><a href="#File-System-Implementation" class="headerlink" title="File System Implementation"></a>File System Implementation</h2><h3 id="文件系统的类型"><a href="#文件系统的类型" class="headerlink" title="文件系统的类型"></a>文件系统的类型</h3><ul>
<li>Traditional：ext2</li>
<li>Newest：ext3、ReiserFS、IBM JFS、xfs</li>
<li>Other UNIX：minix、ext、xiafs</li>
<li>FAT-12、FAT16、FAT-32、VFAT、NTFS</li>
</ul>
<h3 id="文件系统布局"><a href="#文件系统布局" class="headerlink" title="文件系统布局"></a>文件系统布局</h3><ul>
<li><strong>主引导记录（Master Boot Record，MBR）</strong>：用来引导计算机，是<strong>引导块</strong>（boot block）</li>
<li><strong>分区表（Partitions）</strong></li>
<li><strong>超级块（Superblock）</strong>包含文件系统所有关键参数，计算机启动时，或文件系统首次使用时，把超级块读入内存。</li>
<li><strong>i-node</strong>：是一个数据结构数组，<strong>每个文件一个</strong>。i-node说明了文件的<strong>方方面面信息</strong>。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717853359-55cb70bc-1dfe-45f6-92d2-4acc35a4ed8b.png#height=410&amp;width=832" srcset="/img/loading.gif" alt=""> <h3 id="文件的实现"><a href="#文件的实现" class="headerlink" title="文件的实现"></a>文件的实现</h3></li>
</ul>
<h4 id="连续分配"><a href="#连续分配" class="headerlink" title="连续分配"></a>连续分配</h4><p>每个文件作为一连串连续数据块存储在磁盘上。每个文件都从一个<strong>新的块</strong>开始存放。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717853657-466aa111-7598-42bb-9e2a-09f8a0f64939.png#height=438&amp;width=778" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>优点：</p>
<ol>
<li>实现简单：记录每个文件只需记住第一块的磁盘地址和文件的块数</li>
<li>读操作性能好：单个操作就可以从磁盘上读出整个文件，只需要一次，之后就不再需要寻道和旋转延迟。</li>
</ol>
<p>缺点：随着时间推移，磁盘会变得零碎<br>适用于CD-ROM这样的文件系统，所有文件大小事先知道，而且后续不会再改变</p>
<h4 id="链表分配"><a href="#链表分配" class="headerlink" title="链表分配"></a>链表分配</h4><p><strong>每个块的第一个字</strong>作为指向下一块的指针，块的其他部分存放数据。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717853965-6d69961a-a808-4453-9878-f71c2971df3a.png#height=474&amp;width=582" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>优点：可以充分利用每个磁盘块<br>缺点：</p>
<ol>
<li>尽管顺序读文件非常方便，但是随机访问却相当缓慢（因为每次都要从文件的第一个块开始读）</li>
<li>由于指针占用了一些字节，所以每个磁盘块中存储数据的字节数不是2的整数次幂，降低了系统的运行效率。（因为有些程序以2的整数次幂读写磁盘块，所以要读出一个完整的块，就要从两个磁盘块中获取和拼接信息，就引发了额外的开销）</li>
</ol>
<h4 id="在内存中采用表的链表分配"><a href="#在内存中采用表的链表分配" class="headerlink" title="在内存中采用表的链表分配"></a>在内存中采用表的链表分配</h4><p>取出每个磁盘块的指针字，把它们放在内存的一个表中，就可以解决上述链表分配的两个不足。<br>内存中这样一个表格称为文件分配表（File Allocation Table，FAT）。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717854191-44b0c3bd-ebc9-42c7-a577-ef2ceb4b01e1.png#height=480&amp;width=356" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>缺点：必须把<strong>整个表</strong>都存放在内存中。 </p>
<h4 id="i-node"><a href="#i-node" class="headerlink" title="i-node"></a>i-node</h4><p>给每个文件赋予一个i-node（index-node）的数据结构，其中列出了文件属性和文件块的磁盘地址。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717854420-3cd79ac7-925c-43c8-9721-7482a6872d4d.png#height=440&amp;width=550" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>优点：只有在对应文件打开时，i-node才在内存中。如果每个i-node占有n个字节，最多允许k个文件同时打开，那么只需要在内存中提前保留n×k个字节。</p>
<p>i-node的实现：给i-node偏移量，算第几块<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717854659-35d93274-9bb9-416c-b330-0ccf64913d73.png#height=426&amp;width=674" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717854815-193ec0ab-cd83-4985-b194-e117efe19893.png#height=42&amp;width=838" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<ul>
<li>同样，要会根据多层索引、混合索引（上面这个i-node）计算出文件的最大长度</li>
<li>要能自己分析访问某个数据块所需要的读磁盘次数（每次读入下一级索引块都需要一次读磁盘操作，还要看看<strong>顶级索引块 是否已经调入内存</strong>）</li>
</ul>
<h3 id="目录的实现"><a href="#目录的实现" class="headerlink" title="目录的实现"></a>目录的实现</h3><p>目录入口：</p>
<ul>
<li>File Control Block，FCB 文件控制块</li>
<li>Fixed-size Variable-size</li>
</ul>
<p>目录中提供了查找文件磁盘块所需要的信息：</p>
<ul>
<li>整个文件的磁盘地址（连续分配方案）</li>
<li>第一个块的编号（两种链表分配方案）</li>
<li>i-node编号</li>
</ul>
<p>目录项中长文件名<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717855036-d8234763-fe3a-411b-b2f7-0bfe71397b00.png#height=462&amp;width=708" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<ul>
<li>长文件名(a)方法，存在文件属性后面。缺点是有空位 &amp; 在删除后会留下空隙，久而久之造成碎片复杂。</li>
<li>长文件名(b)方法，文件项存放指向文件名的指针，文件名存储在堆中，文件名不需要再从字的边界开始，堆中不会有空隙，但是<strong>需要有好多指针</strong>。</li>
</ul>
<p>加快文件搜索</p>
<ul>
<li>散列处理文件名，将文件名存放在散列表中。但是需要维护散列表，管理复杂。<br>将查找结果存入高速缓存，在查找之前，先看看<strong>高速缓存</strong>中有没有。</li>
</ul>
<h3 id="共享文件"><a href="#共享文件" class="headerlink" title="共享文件"></a>共享文件</h3><p>共享文件的文件系统就是要给<strong>有向无环图（DAG）</strong>，而不是一棵树。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717855201-4fce6fcc-953b-4cbf-b2e6-b569fd523fd9.png#height=354&amp;width=366" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<h4 id="硬链接（Hard-link）"><a href="#硬链接（Hard-link）" class="headerlink" title="硬链接（Hard link）"></a>硬链接（Hard link）</h4><p>使用<strong>两个文件名指向同一个内部数据结构</strong>（i-node）来代表一个文件<br>i-node中维护一个<strong>计数器</strong>，用来统计连接到当前文件的连接数目。当数目为0时候才真正删除这个文件。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717855382-19134fc7-824f-4646-9f45-6ff8e4277d76.png#height=324&amp;width=646" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<h4 id="符号链接（symbolic-linking）"><a href="#符号链接（symbolic-linking）" class="headerlink" title="符号链接（symbolic linking）"></a>符号链接（symbolic linking）</h4><p>是一类特殊的文件，这个文件包含了<strong>另一个文件的路径名</strong>（绝对路径or相对路径）<br>真正的文件所有者才有一个i-node的指针。当文件被删除的时候，符号连接找不到文件；而删除符号连接根本不影响该文件。<br>优点：能够跨越磁盘的界限，甚至可以命名在远程计算机上的文件<br>缺点：但是符号链接需要额外的开销，<strong>性能不如硬连接</strong></p>
<h3 id="虚拟文件系统"><a href="#虚拟文件系统" class="headerlink" title="虚拟文件系统"></a>虚拟文件系统</h3><p><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717855617-c1004993-6ffb-44c2-a923-f5c6fd1938dd.png#height=420&amp;width=750" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717855916-ebe998d7-2189-4a6a-b232-bb37a95980a3.png#height=604&amp;width=750" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<h2 id="File-System-Management"><a href="#File-System-Management" class="headerlink" title="File System Management"></a>File System Management</h2><h3 id="Disk-Space-Management"><a href="#Disk-Space-Management" class="headerlink" title="Disk Space Management"></a>Disk Space Management</h3><h4 id="块大小"><a href="#块大小" class="headerlink" title="块大小"></a>块大小</h4><p><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717856148-f1f764d5-91e8-4c94-b887-bee29ba65abf.png#height=426&amp;width=662" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>根据文件系统中大量的文件大小，选择一个合适的块的大小，一般4KB？</p>
<h4 id="记录空闲块"><a href="#记录空闲块" class="headerlink" title="记录空闲块"></a>记录空闲块</h4><p>管理空闲块的方法<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717856480-77c7870d-0c0e-4367-9e2a-33db7e0c87ad.png#height=488&amp;width=676" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<ol>
<li>磁盘块链表：每个块中包含尽可能多的<strong>空闲磁盘块号</strong></li>
<li>位图：n个块的磁盘需要n位的位图，空闲块用1表示，反之用0表示。</li>
<li>成组连接法</li>
</ol>
<h4 id="磁盘配额"><a href="#磁盘配额" class="headerlink" title="磁盘配额"></a>磁盘配额</h4><p><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717856720-956b8127-556c-44bc-adf9-4c07601dc6b9.png#height=468&amp;width=678" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>系统管理员分给每个用户拥有文件和块的最大数量，操作系统确保每个用户不超过分给他们的配额</p>
<h3 id="文件系统备份"><a href="#文件系统备份" class="headerlink" title="文件系统备份"></a>文件系统备份</h3><p>物理转储：从磁盘0块开始，将全部的磁盘块按顺序输出到磁带上，直到最后一块复制完毕。</p>
<ul>
<li>优点：简单、极为快速</li>
<li>缺点：既不能能跳过选定目录，也无法增量转储，还不能满足恢复个人文件的请求。</li>
</ul>
<p>逻辑转储：从一个或几个指定的目录开始，递归地转储其自给定基准日期（例如，最近一次增量转储或全面系统转储的日期）后有所更改的全部文件和目录。</p>
<ul>
<li>全部转储</li>
<li>增量转储</li>
</ul>
<h2 id="File-System-Reliability"><a href="#File-System-Reliability" class="headerlink" title="File System Reliability"></a>File System Reliability</h2><h3 id="文件系统一致性"><a href="#文件系统一致性" class="headerlink" title="文件系统一致性"></a>文件系统一致性</h3><p>块的一致性检查<br>文件的一致性检查<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717856985-be467dc2-a7db-4ab5-aa03-90a28cdac3e0.png#height=456&amp;width=854" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<h2 id="File-System-Performance"><a href="#File-System-Performance" class="headerlink" title="File System Performance"></a>File System Performance</h2><h3 id="高速缓存（Block-cache）"><a href="#高速缓存（Block-cache）" class="headerlink" title="高速缓存（Block cache）"></a>高速缓存（Block cache）</h3><p>或者缓冲区高速缓存（buffer cache），可以减少磁盘访问次数，提高访问速度。</p>
<h4 id="算法"><a href="#算法" class="headerlink" title="算法"></a>算法</h4><p><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717857188-3d129a20-51a6-4766-a910-df09c75252ee.png#height=338&amp;width=750" srcset="/img/loading.gif" alt=""><br>同页面置换算法：FIFO算法、第二次机会算法、LRU算法。</p>
<h3 id="块提前读"><a href="#块提前读" class="headerlink" title="块提前读"></a>块提前读</h3><p>在需要用到快之前，提前将其写入高速缓存，从而提高命中率（局部性原理）</p>
<h3 id="减少磁盘臂运动"><a href="#减少磁盘臂运动" class="headerlink" title="减少磁盘臂运动"></a>减少磁盘臂运动</h3><p>把有可能顺序存取的块放在一起，最好放在同一个柱面上，从而减少磁盘臂的移动次数。<br><img src="https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/png/431085/1580717857451-7c7eb097-bebd-46f2-a654-c14638ee85dd.png#height=504&amp;width=812" srcset="/img/loading.gif" alt=""> </p>
<ol>
<li>i-node 放在磁盘的开始块</li>
<li>把磁盘分为柱面组，每个组有自己的块和i-node（这样快）</li>
</ol>
<h2 id="File-System-Cases"><a href="#File-System-Cases" class="headerlink" title="File System Cases"></a>File System Cases</h2><p>例子，先不看了。</p>

            </article>
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                      <a class="hover-with-bg" href="/categories/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F-Operating-System/">操作系统(Operating System)</a>
                    
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                <p class="note note-warning">本博客所有文章除特别声明外，均采用 <a href="https://zh.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:CC_BY-SA_3.0%E5%8D%8F%E8%AE%AE%E6%96%87%E6%9C%AC" target="_blank" rel="nofollow noopener noopener">CC BY-SA 3.0协议</a> 。转载请注明出处！</p>
              
              
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                      <a href="/2020/02/03/OS-Chapter-7-Memory-Management/">
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                        <span class="hidden-mobile">OS Chapter 7 Memory Management</span>
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                      <a href="/2020/02/03/OS-Chapter-5-IPC-Deadlock/">
                        <span class="hidden-mobile">OS Chapter 5 IPC: Deadlock</span>
                        <span class="visible-mobile">Next</span>
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        <h4 class="modal-title w-100 font-weight-bold">Search</h4>
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